CN106054359A - 一种超短焦投影镜头及激光投影设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超短焦投影镜头，属于投影技术领域。超短焦投影镜头包括折射镜组和反射镜组，影像光束经过折射镜组后，在折射镜组和反射镜组之间进行第一次成像，反射镜组将第一次成像反射至投影屏幕形成第二次成像；折射镜组包括第一透镜组和第二透镜组，第一透镜组和第二透镜组中均具有两片非球面透镜；反射镜组包括一反射镜，置于所述第二透镜组后；折射镜组和反射镜组处于同一主光轴；第二次成像的图像相对于主光轴的偏移量为140%~150%。本发明提供的超短焦投影镜头能够实现短焦大尺寸画面的投影，并且具有较佳的像差校正能力，能够提高投影成像质量。

Description

一种超短焦投影镜头及激光投影设备

技术领域

本发明涉及投影技术领域，特别涉及一种超短焦投影镜头和激光投影设备。

背景技术

随着科学技术的提高，投影成像***在人们工作和生活中的应用越来越广泛，比如教育，办公，家用或娱乐。其中，超短焦投影能够有效缩短投影机的投影距离，并投射出大尺寸画面，受到消费者的青睐。

投影镜头是实现投影的关键部件，在实际应用中，投影镜头光学***会因为加工工艺、组装等原因产生像差，如畸变、像散、场曲、彗差等表现，像差是目前投影镜头设计上必须面对的难题。

为了有效克服像差，目前有三种镜头的设计方式，分别为折射式、反射式和混合式。

折射式: 投影镜头由球面透镜或非球面透镜组成，经过投影镜头后影像光束大角度出射以达到缩短投影距离的目的。此类投影镜头可以有效消除大视场带来的像差，但是投影镜头的镜片数量大、种类多，此类投影镜头的结构复杂，镜头的长度也不易缩小，可制造性低。

反射式: 投影镜头由平面反射镜、球面反射镜、非球面反射镜或自由曲面反射镜组成，通过反复偏转折光达到缩短投影距离的目的。但是此类投影镜头的设计形式存在多片非球面或自由曲面反射镜，在加工、制造、检测等环节中成本高，可制造性低。

混合式: 将折射式和反射式进行综合应用，一般分为折射透镜组、反射镜组，是目前市面上超短焦投影镜头的主流设计方式。

发明内容

本发明提供了一种超短焦投影镜头及应用该超短焦投影镜头的激光投影设备，能够实现克服像差，提高投影成像质量。

为实现上述发明目的，采用如下技术方案：

一种超短焦投影镜头，包括折射镜组和反射镜组，影像光束经过折射镜组后，在折射镜组和反射镜组之间进行第一次成像，反射镜组将第一次成像反射至投影屏幕形成第二次成像；

折射镜组包括第一透镜组和第二透镜组，第一透镜组和第二透镜组中均具有两片非球面透镜；反射镜组包括一反射镜，置于第二透镜组后；

折射镜组和反射镜组处于同一主光轴；

第二次成像的图像相对于主光轴的偏移量为140%~150%；

优选地，超短焦投影镜头的投射比在0.2~0.3之间；

优选地，折射镜组和反射镜组产生正的屈光度，其中，折射镜组的总长度为L1，折射镜组和反射镜组之间的间距为L2，L1、L2满足：0.65<L1/L2<0.7；

优选地，超短焦投影镜头的等效焦距为F1，第一透镜组的等效焦距为F2，第二透镜组的等效焦距为F3，反射镜组的等效焦距为F4，F1、F2、F3、F4满足：

5 < | F2/F1 | < 9 ；

7 < | F3/F1 | < 100；

5 < | F4/F1 | < 15；

优选地，超短焦投影镜头的有效焦距为-3.3mm~-3.5mm；

优选地，反射镜为凹面非球面反射镜或自由曲面反射镜；

优选地，超短焦投影镜头还包括孔径光阑，孔径光阑位于第一透镜组与第二透镜组之间，孔径光阑与折射镜组和反射镜组处于同一主光轴，孔径光阑用于限制超短焦投影镜头的通光量；

优选地，第一透镜组包括至少一个球面透镜和第一非球面透镜、第二非球面透镜，两个非球面透镜之间至少设置有一个球面透镜；

第二透镜组包括至少一个球面透镜和第三非球面透镜、第四非球面透镜，两个非球面透镜之间至少设置有一个球面透镜；

优选地，第一非球面透镜为一凸凹透镜，第二非球面透镜为一双凸透镜，和/或，

第三非球面透镜为一凹凸透镜，第四非球面透镜为一双凹透镜；

优选地，第一透镜组沿着光束入射的方向依次包括第一非球面透镜、第一球面透镜、第二球面透镜、第三球面透镜、第四球面透镜和第二非球面透镜，上述各透镜的屈光度依次为负、负、负、正、正、负；

或者，包括第一球面透镜、第一非球面透镜、第二球面透镜、第三球面透镜、第四球面透镜和第二非球面透镜，上述各透镜的屈光度依次为负、负、负、正、正、负；

优选地，第二透镜组沿着光束入射的方向依次包括第三非球面透镜、第五球面透镜、第六球面透镜、第七球面透镜、第八球面透镜、第九球面透镜、第十球面透镜、第十一球面透镜和第四非球面透镜，上述透镜的屈光度依次为正、正、负、负、正、负、正、负、正；

优选地，第一非球面透镜的非球面方程的高阶系数的阶次大于或等于预设第一阈值，第二非球面透镜的非球面方程的高阶系数的阶次大于或等于预设第二阈值；

以及，第三非球面透镜的非球面方程的高阶系数的阶次大于或等于预设第三阈值，第四非球面透镜的非球面方程的高阶系数的阶次大于或等于预设第四阈值；

优选地，第一预设阈值、第二预设阈值、第三预设阈值、第四预设阈值均为大于等于10的整数。

第二方面，本发明还公开了一种激光投影设备，包括激光光源，用于提供照明光束；光机，包括光阀，用于根据图像处理信号对照明光束进行调制后形成影像光束，其特征在于，还包括上述任一技术方案的超短焦投影镜头，其中，光阀将影像光束反射至超短焦投影镜头，超短焦投影镜头用于对影像光束校正放大后投射至投影屏幕成像；

优选地，光阀偏置超短焦投影镜头主光轴的偏移量满足：1.2<A/B<1.5，其中，A指光阀的高度，B指光轴到光阀的上端的距离；

优选地，在光阀和超短焦投影镜头之间还包括移动镜片，移动镜片以预设频率振动，并在前一时刻和当前时刻透射或反射影像光束时，分别处于不同的位置，使得对前一时刻和当前时刻透射或反射的影像光束错位重叠。

本发明实施例中提供的技术方案至少具有以下有益效果：

本发明实施例提供的超短焦投影镜头包括折射镜组和反射镜组，其中，折射镜组用于对入射的影像光束进行第一次成像，并将第一次成像入射至反射镜组，反射镜组将第一次成像反射至投影屏幕进行第二次成像，第二次成像的图像相对于主光轴具有较大的偏移量，从而利于实现短焦大尺寸投影。其中，折射镜组通过第一透镜组和第二透镜组均具有两片非球面透镜，具有较佳的像差矫正能力，以及，反射镜组能够缩短光程，实现短焦投影的同时，能够对大视场像差进行矫正，提高了镜头的解像能力。

本发明提供的激光投影设备，能够在实现超短焦投影的同时，像差矫正能力强，能够投射高清晰度、高分辨率的投影图像，投影画面质量高。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并于说明书一起用于解释本发明的原理。

图1A是本发明实施例一提供的一种超短焦投影镜头的架构示意图；

图1B是基于图1的超短焦投影镜头中光路传播示意图；

图2A是本发明实施例二提供的一种超短焦投影镜头的结构组成示意图；

图2B是本发明实施例提供的镜头成像效果示意图；

图3A是本发明实施例三提供的一种激光投影设备架构示意图；

图3B为本发明实施例三提供的一种激光投影设备光路***示意图；

图4A是本发明实施例三提供的又一种激光投影设备光学***示意图；

图4B是基于图4A中的镜片效果示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的例子。

实施例一、

本发明一实施例提供了一种超短焦投影镜头，如图1A所示，超短焦投影镜头包括折射镜组100和反射镜组130。折射镜组100包括第一透镜组110和第二透镜组120，反射镜组130包括一反射镜，置于第二透镜组120后。折射镜组100和反射镜组130处于同一主光轴101。其中，第一透镜组110和第二透镜组120均具有两片非球面透镜，具有较佳的像差矫正能力。

本实施例提供的超短焦投影镜头的光路示意图如图1B所示，由光机部分140输出的影像光束经过折射镜组100后，即依次经过第一透镜组110和第二透镜组120折射透射后，在折射镜组100和反射镜组130之间进行第一次成像，图1B中，102为该第一次成像面，反射镜组130接收到第一次成像后发散的光束，将第一次成像反射，并投射至投影屏幕形成第二次成像，即人眼观察到的投影画面。

其中，第二次成像的图像相对于主光轴101的偏移量(offset)为140%~150%，即影像光束是斜向上投射至投影屏幕成像，投影图像与主光轴是偏心的。

以及，在本实施例中，折射镜组100和反射镜组130产生正的屈光度，从而能够聚焦成放大倍数的像。其中，折射镜组100的总长度为L1，折射镜组100和反射镜组130之间的间距为L2，L1、L2满足：0.65<L1/L2<0.7。该超短焦投影镜头的体积较小。

以及，本发明实施例超短焦投影镜头还包括孔径光阑（图中未示出），孔径光阑位于第一透镜组110与第二透镜组120之间，孔径光阑与折射镜组100和反射镜组130处于同一主光轴，孔径光阑用于限制该超短焦投影镜头的通光量。

在本发明实施例中，超短焦投影镜头的投射比在0.2~0.3之间，其中，投射比（throw ratio）是指投影镜头和投影屏幕之间的距离与投影画面的宽度之比，投射比越小，投影镜头或者投影设备距离投影屏幕越近，或者投射的画面尺寸越大。

在本发明实施例中，超短焦投影镜头的等效焦距为F1，第一透镜组110的等效焦距为F2，第二透镜组120的等效焦距为F3，反射镜组130的等效焦距为F4，F1、F2、F3、F4满足：

5 < | F2/F1 | < 9 ；

7 < | F3/F1 | < 100；

5 < | F4/F1 | < 15。

上述焦距限制仅给出了本发明实施例超短焦投影镜头的设计范围，凡落入本焦距限制范围内的镜头设计均在本发明技术方案的保护范围内。

以及，本发明实施例中，超短焦投影镜头的有效焦距(Effective Focal Length)为-3.3mm~-3.5mm。

在一具体实施中，超短焦投影镜头的有效焦距=-3.38mm，偏移量=142% ~ 150%，解析能力可以达到93lp/mm，指每毫米93组交替黑白的线条，可以投射出画面尺寸为 80 ~120英寸，投射比为0.24 ~ 0.25。

以及，在另一具体实施中，超短焦投影镜头的有效焦距=-3.47mm，偏移量=142% ~150%，解析能力可以达到93lp/mm，可以投射出画面尺寸为 80 ~ 120英寸，投射比为0.245~ 0.255。

综上，本发明实施例提供的超短焦投影镜头包括折射镜组和反射镜组，其中，折射镜组用于对入射的影像光束进行第一次成像，并将第一次成像入射至反射镜组，反射镜组将第一次成像反射至投影屏幕进行第二次成像，第二次成像的图像相对于主光轴具有较大的偏移量，从而利于实现短焦大尺寸投影。其中，折射镜组通过第一透镜组和第二透镜组提高像差矫正能力，反射镜组能够缩短光程，实现短焦投影的同时，能够对大视场像差进行矫正，提高了镜头的解像能力。

实施例二、

本发明实施例二在实施例一基础上提供一种超短焦投影镜头。

以及具体地，如图2A所示，沿着光束入射的方向，折射镜组依次包括：第一透镜组210，第二透镜组220。

第一透镜组210、第二透镜组220处于同一光轴201。

第一透镜组210包括至少一个球面透镜和两个非球面透镜，第一透镜组210的两个非球面透镜之间设置有至少一个球面透镜；当影像光束射向第一透镜组210时，第一透镜组210矫正影像光束，并将矫正后的影像光束射向第二透镜组220；

第二透镜组220包括至少一个球面透镜和两个非球面透镜，第二透镜组的两个非球面透镜之间设置有至少一个球面透镜；当影像光束射向第二透镜组220时，第二透镜组220用于矫正影像光束，并将影像光束输出至下一光学部件进行成像。

具体的，参见图2，沿着光束入射的方向，第一透镜组210依次包括第一非球面透镜211和第二非球面透镜212，第一非球面透镜211和第二非球面透镜212与折射镜组处于同一光轴201。

在一具体实施中，沿光束入射方向，第一透镜组210包括第一球面透镜213、第一非球面透镜211、第二球面透镜214、第三球面透镜215、第四球面透镜216以及第二非球面透镜212，上述六个透镜的屈光度依次为负、负、负、正、正、负。

或者，在另一具体实施中，第一非球面透镜211和第一球面透镜的位置可以互换，即沿光束入射方向，第一透镜组210包括第一非球面透镜211、第一球面透镜213、第二球面透镜214、第三球面透镜215、第四球面透镜216以及第二非球面透镜212，上述六个透镜的屈光度依次为负、负、负、正、正、负，且第一透镜组210中的透镜均处于同一光轴。

以及，沿着光束入射的方向，第二透镜组220依次包括第三非球面透镜221和第四非球面透镜222，第三非球面透镜221和第四非球面透镜222与折射镜组处于同一光轴201。

在一具体实施中，沿光束入射方向，第二透镜组220依次包括第三非球面透镜221、第五球面透镜223、第六球面透镜224、第七球面透镜225、第八球面透镜226、第九球面透镜227、第十球面透镜228、第十一球面透镜229以及第四非球面透镜222，上述九个透镜的屈光度依次为正、正、负、负、正、负、正、负、正，第二透镜组220中的透镜均处于同一光轴。

从而，第一透镜组210和第二透镜组220组成的折射镜组具有正的屈光度，并接受影像光束的入射，从而能够进行光学成像。

对于非球面透镜，影响第一非球面透镜211、第二非球面透镜212、第三非球面透镜221和第四非球面透镜222的成像因素有非球面方程的高阶系数的阶次，非球面透镜的曲率、非球面透镜的圆锥系数和非球面透镜的屈光度。

非球面方程的高阶系数的阶次影响非球面透镜对成像的边缘解析能力，当非球面方程的高阶系数的阶次越高时，非球面方程的曲面包含的形状越复杂，对影像光束的光线的矫正能力越好。

曲率指非球面透镜的靠近主光轴部分的球面半径的倒数。本实施例只对曲率的正负做限制，默认非球面透镜的凸面逆向光路方向的曲率为正。

圆锥系数影响非球面透镜的近光轴的曲面的形状，当非球面透镜的圆锥系数为零时，非球面透镜的近光轴的曲面的形状为圆形，主要用于矫正影像光束边缘光线的彗差。如果圆锥系数选取不合适，会造成光束偏转不合适，导致成像模糊问题。

屈光度影响非球面透镜对光线的偏转程度，屈光度越大非球面透镜对影像光束的偏转程度越大，主要用于矫正影像光束远离主光轴部分的彗差。默认形如非球面透镜的凸透镜的屈光度为正，形如非球面透镜的凹透镜的屈光度为负。

具体的，第一非球面透镜211、第二非球面透镜212、第三非球面透镜221和第四非球面透镜222的非球面方程的高阶系数的阶次、曲率、圆锥系数和屈光度分别满足如下要求：

第一非球面透镜211的非球面方程的高阶系数的阶次大于或等于预设第一阈值；第二非球面透镜212的非球面方程的高阶系数的阶次大于或等于预设第二阈值，由于当非球面方程的高阶系数的阶次越高时，非球面方程的曲面包含的形状越复杂，对影像光束的光线的矫正能力越好，但是制造也越困难，成本就越高，为了不影响对影像光束的矫正，也不对制造造成大的困难，非球面方程的高阶系数的阶次可以根据实际情况进行确定。或者预设第一阈值和预设第二阈值可以结合折射镜组的其它配置情况进行设置，预设第一阈值可以等于预设第二阈值，比如，在本发明实施例中折射镜组中包括的非球面透镜的高阶系数的阶次大于或等于10，例如，预设第一阈值和预设第二阈值均为10，或者，预设第一阈值为10和预设第二阈值均为12。

可选的，第一非球面透镜211包括的两个面的曲率为异号，以减小入射的影像光束的入射角度。对于第一非球面透镜211，影像光束入射的面为凸面，出射面为凹面，用于矫正近轴光线的角度。第二非球面透镜212的两个面的曲率为同号，同时第二非球面透镜212的两个面均为凸面，用于矫正球差和彗差，从而提高折射镜组对影像光束的矫正能力。

可选的，第一非球面透镜211的圆锥系数不等于0，第二非球面透镜212的圆锥系数等于0。

可选的，第一非球面透镜211的屈光度为负，第二非球面透镜212的屈光度为负。并且与其他四个球面透镜的屈光度的正负配合，矫正影像光束远离主光轴的光束，从而达到矫正远离主光轴部分的像差。

可选的，第三非球面透镜221的非球面方程的高阶系数的阶次大于或等于预设第三阈值，第四非球面透镜222的非球面方程的高阶系数的阶次大于或等于预设第四阈值，由于当非球面方程的高阶系数的阶次越高时，非球面方程的曲面包含的形状越复杂，对影像光束的光线的矫正能力越好，但是制造也越困难，成本就越高，为了不影响对影像光束的矫正，也不对制造造成大的困难，非球面方程的高阶系数的阶次可以根据实际情况进行确定。或者预设第三阈值和预设第四阈值可以结合折射镜组的其它配置情况进行设置，预设第三阈值可以等于预设第四阈值，比如，预设第三阈值和预设第四阈值均为10，或者，预设第三阈值为13和预设第四阈值均14；

可选的，第三非球面透镜221的两个面的曲率为同号，对于第三非球面透镜221，影像光束入射的面为凹面，另一面为凸面，主要矫正像差，第四非球面透镜222的两个面的曲率为异号，同时第四非球面透镜222的两个面均为凹面，主要矫正大视场像差，画面畸变；

可选的，第三非球面透镜221的圆锥系数等于0，第四非球面透镜222的圆锥系数等于0；

可选的，第三非球面透镜221的屈光度为正，第四非球面透镜222的屈光度为正。并且与其他四个球面透镜的屈光度的正负配合，矫正影像光束远离主光轴的光束，从而达到矫正远离主光轴部分的像差。

另外， 预设第一阈值、预设第二阈值、预设第三阈值和预设第四阈值可以为同一预设数值，也可以为不同数值。

由于非球面透镜较球面透镜相比有更好的曲率，非球而透镜从透镜中心到边缘的曲率连续发生变化，使得光线汇聚到同一点，基本上消除了球面透镜所产生的球差。所以第一非球面透镜211、第二非球面透镜212、第三非球面透镜221和第四非球面透镜222能够大大提高折射镜组的成像质量。具体的，第一非球面透镜211和第四非球面透镜222用于降低彗差和像散，第二非球面透镜212和第三非球面透镜221用于提高大视场分辨率。

另外，对于非球面透镜，当非球面透镜的厚度越厚时，对像差的矫正能力越强。但是在实际应用中考虑制造难度及生产成本等问题来结合选择非球面透镜的厚度，使得选择的非球面透镜即有良好的像差矫正能力，也不会造成制造难度大，生产成本大等问题。比如，第三非球面透镜221的厚度为T，满足范围6mm<T<12.5mm。

以及，如果折射镜组中大部分的透镜都选用非球面透镜，会大大增加折射镜组的制造成本，因此，在不影响成像的前提下，也可以将部分透镜选用为球面透镜，以降低制造成本。

可选的，在对折射镜组成像效果影响不大的前提下，也可以将第一非球面透镜211设置为球面透镜。

上述第一透镜组210和第二透镜组220所包括的非球面透镜和球面透镜的组合中，非球面透镜的位置除了第一非球面透镜211可以与相邻的球面透镜调换外，其他的非球面透镜位置优选地不可调换。上述球面透镜和非球面透镜相互配合，共同矫正影像光束，以达到提高成像效果的作用。

在一具体实施中，第三球面透镜215和第四球面透镜216胶合为一个整体，得到第一胶合体，第三球面透镜215的折射率大于第四球面透镜216的折射率，第三球面透镜215的阿贝数小于第四球面透镜216的阿贝数。其中，折射率用于表示透镜对光线的折射程度，当折射率越大时，折射程度越大，因此，在折射镜组成像的过程中对影像光束的分光作用越大。其中，阿贝数用于表示透镜介质对光的色散程度，阿贝数越低，色散越厉害，从而折射率越大。

以及可选的，第六球面透镜224和第七球面透镜225胶合为一个整体，得到第二胶合体，第六球面透镜224的折射率小于第七球面透镜225的折射率，第六球面透镜224的阿贝数大于第七球面透镜225的阿贝数。

以及可选的，第八球面透镜226和第九球面透镜227胶合为一个整体，得到第三胶合体，第八球面透镜226的折射率大于第九球面透镜227的折射率，第八球面透镜226的阿贝数小于第九球面透镜227的阿贝数。

上述举例中的第一胶合体，第二胶合体和第三胶合体，用于改善折射镜组的不同光谱的球差，并对折射镜组的轴向色差、垂轴向色差进行矫正。每个胶合体中所包括的各透镜由不同阿贝数的材质组成，不同的阿贝数的材质对不同光谱存在不同的色散，并通过与曲率配合达到矫正色差的功能。

以及可选的，第一非球面透镜211、第二非球面透镜212、第三非球面透镜221和第四非球面透镜222均为轴对称非球面透镜，由于轴对称非球面透镜的形状规则，便于加工制造，所以当第一非球面透镜211、第二非球面透镜212、第三非球面透镜221和第四非球面透镜222均为轴对称非球面透镜时，加工方便，降低生产成本。

以及，折射镜组还包括孔径光阑（图中未示出），孔径光阑位于第一透镜组210与第二透镜组220之间，具体地，位于第二非球面透镜212和第三非球面透镜221之间。孔径光阑与折射镜组处于同一光轴，用于限制折射镜组的通光量，使得影像光束的通光量限制在最有利于成像的情况内，从而提高成像的效果。

以及，反射镜230用于将通过第一透镜组210和第二透镜组220校正后的影像光束反射到投影屏幕上。

可选的，反射镜230为非球面反射镜（非球面反射镜的入射面为凹面）或自由曲面反射镜。当反射镜230为非球面反射镜时，反射镜230用于校正影像光束的场曲和畸变。

应用本发明实施例的超短焦投影镜头，在实现超短焦投影的同时，可达到较好的校正像差的目的，从而成像质量佳，参见图2B，图2B是根据实施例示出的一种超短焦投影镜头的成像效果示意图。如图2B所示，图2B中交叉线（+）为预成像位置，叉号（x）为实际成像位置，则图2B中叉号与交叉线交点重合度越高说明成像的畸变越不明显。由图2B可知，成像叉号与交叉线交点重合度较高，因此，该镜头的成像畸变度较低，即像差得到了矫正，能够提供高质量的成像效果。

以及，由于本镜头具有较佳的像差矫正能力，解析能力提升，也可以应用于高解析度的投影镜头中，比如可以用于解析4K分辨率的图像，使得投影屏幕可以呈现更高清的图像，提升用户体验。

本发明实施例提供超短焦投影镜头中，折射镜组使用两个透镜组，架构简洁，镜片数量少，且通过设置有限数量的非球面透镜和球面透镜即可达到较佳的像差校正效果。其中，第一透镜组和第二透镜组均包括两个非球面透镜，非球面透镜对影像光束的有很好的矫正能力，尤其是对大视场光束具有较好的像差矫正能力，提高了镜头的解像能力，因此，上述非球面透镜的设置一方面减少了镜头中包括的球面透镜的数量，简化了镜头的结构，且整个镜头的焦距较短，可以应用于短焦投影以及高解析度投影中。

实施例三、

本发明实施例三提供了一种激光投影设备，可以应用上述实施例一或实施例二的超短焦投影镜头。

具体地，如图3A所示，图3A是一种激光投影设备的架构示意图，该激光投影设备可以是激光影院或者激光电视，或者其他激光投影仪器，如图3A所示，包括激光光源30，光机31，超短焦投影镜头32，投影屏幕33。激光光源30为光机31提供照明光束，激光光源30可以是单色或双色激光光源和荧光光源组成的混合光源，也可以是三色激光光源。光机31用于根据图像处理信号对照明光束进行调制后形成影像光束，具体地，光机31包括光阀及光阀照明***，光阀是一种光调制器件，可以是DMD芯片或者是液晶光阀，在DLP投影中，光阀为DMD芯片。光阀将影像光束反射至超短焦投影镜头32，超短焦投影镜头32用于对影像光束校正放大后投射至投影屏幕33成像。图3B为本发明实施例激光投影设备的光路示意图，如图3B所示，激光投影设备中的镜头将光束投射到反射镜323后，由反射镜323再将光束进行反射至投影屏幕33上再次成像，通过超短焦投影镜头的应用，实现了超短焦大尺寸画面的投影。

在一具体实施例中，光阀偏置超短焦投影镜头32主光轴的偏移量满足：1.2<A/B<1.5，其中，所述A指所述光阀的高度，所述B指主光轴到光阀的上端的距离。需要说明的是，偏移量反应了投影画面偏移投影镜头的光轴的程度。具体的，当偏移量越大时，投影画面偏移投影镜头的光轴的距离越大，所以在设计投影成像***时，可以根据不同的需求设计不同偏移量的投影成像***。

在一具体实施中，如图4A所示的光机与镜头光路***示意图中，包括：光阀410，超短焦投影镜头400，超短焦投影镜头400包括折射镜组420和430，以及反射镜组430。以及在光阀410和超短焦投影镜头400之间还包括移动镜片411，移动镜片411以预设频率振动，并在前一时刻和当前时刻透射或反射影像光束时，分别处于不同的位置，使得对前一时刻和当前时刻透射或反射的影像光束错位重叠。

光阀410用于调制投影机中从光源***传播来的照明光束，以使得光阀410根据图像处理信号产生影像光束，并将影像光束射向移动镜片411。

可选的，光阀410是数字微镜元件（英文：Digital Micromirror Device，简称：DMD），DMD可以是4K分辨率或3K分辨率。

具体地，光阀410包括反射镜阵列和控制电路，当光阀410受到光照时，控制电路控制反射镜阵列反射光源***发射出的光束，产生影像光束。有关光阀410如何具体产生影像光束为现有技术，在此不做详细介绍。

移动镜片411位于光阀410和第一透镜组440之间，移动镜片411为平板玻璃或反射镜，可以透射或反射影像光束。移动镜片411能够振动，移动镜片411振动使得经过移动镜片411的相邻两帧投影图像对应的影像光束不完全重叠，进行错位叠加，使得射向同一像素的影像光束增加，进而提高成像的分辨率，而且由于移动镜片411的振动使得相邻两帧投影图像对应的影像光束略微错开，进而使得像素之间的过度更加平滑，从而提高成像的细腻感，进而提高成像质量，实现高分辨率的画质，具体实现方法如下：

移动镜片411包括有驱动组件，驱动组件可以按照预设的频率振动，当驱动组件振动时，驱动组件带动移动镜片411振动（参见图4B，图4B是根据实施例示出的一种移动镜片411及其振动效果示意图）。另外，相邻两帧投影图像包括第一帧投影图像和第二帧投影图像（第一帧投影图像和第二帧投影图像由同一帧图像分解得到）。当所述第一帧投影图像对应的影像光束和所述第二帧投影图像对应的影像光束分别经过所述移动镜片411时，所述移动镜片411处于不同位置。具体的，待显示的图像具有第一分辨率，图像信号处理***将待显示的图像分解成两帧图像，第一帧图像和第二帧图像，其中第一帧图像和第二帧图像具有第二分辨率，第一分辨率大于第二分辨率。当第一帧图像和第二帧图像在行分辨率和列分辨率与DMD行和列的分辨率不一致时，需要先将待显示的图像的行分辨率和列分辨率调整为DMD行分辨率、列分辨率的倍数后，再进行第一帧图像和第二帧图像的分解。分解后，第一帧图像和第二帧图像的行、列分辨率相同，且均与DMD的行、列分辨率成倍数关系，该倍数关系优选的为1倍。在显示时，当第一帧投影图像对应的影像光束经过移动镜片411时，移动镜片411处于第一位置；当第二帧投影图像对应的影像光束经过移动镜片411时，移动镜片411处于第二位置，第一位置和第二位置不同，从而使得第二帧投影图像对应的影像光束的传播路径与所述第一帧图像对应的影像光束的传播路径不同，进而使得第二帧投影图像对应的影像光束与第一帧投影图像对应的影像光束不完全重叠。比如，相邻的两帧投影图像为投影图像A和投影图像B，第一位置由移动镜片411朝向第一方向振动产生，第二位置由移动镜片411朝向第二方向振动产生，具体的，当投影图像A对应的影像光束经过移动镜片411时，移动镜片411朝向第一方向振动（比如，移动镜片411向上振动）；当投影图像B对应的影像光束经过移动镜片411时，移动镜片411朝向第二方向振动（比如，移动镜片411向下振动），从而使得投影图像B对应的影像光束与投影图像A对应的影像光束不完全重叠，也即彼此略微错开，进一步的，投影图像A对应的影像光束先进入超短焦投影镜头400，然后投影图像B对应的影像光束进入超短焦投影镜头400，由于投影图像A和投影图像B前后之间的时间间隔很短，所以投影图像A和投影图像B对应的投影图像几乎是重叠显示在投影屏幕上。由于二者略微错开，并重叠投影在投影屏幕上，使得投影图像A和投影图像B在投影屏幕上对应的投影图像之间的像素的过度更加平滑和细腻，提高投影图像的分辨率，从而提高了投影图像的质量。

另外，需要说明的是第一帧投影图像和第二帧投影图像由同一帧图像分解得到，所以当投影到投影屏幕叠加显示时，可以达到像素信息量增加的目的，进而才能提高成像的分辨率。

另外，虽然投影图像A和投影图像B对应的投影图像会分前后显示在投影屏幕上，但是由于投影图像A和投影图像B对应的投影图像在投影屏幕上的显示时差很小，用户不能分辨投影图像A和投影图像B对应的投影图像是前后分开显示，因而，投影图像A和投影图像B对应的投影图像可以近似为显示为一幅投影图像。

另外，本发明实施例通过移动镜片411与光阀410相互配合，实现图像叠加，进而提高了图像的分辨率，相应的本发明实施提供的超短焦投影镜头400具有高解析度的能力，以解析移动镜片411与光阀410相互配合提供的高分辨率图像，并清晰地投影到投影屏幕上。

本发明实施例提供的投影成像***包括光阀410、移动镜片411和超短焦投影镜头400，光阀410用于产生影像光束，并将影像光束射向移动镜片411，由移动镜片411对影像光束进行振动，改变影像光束的位置，以提使得同一帧图像分解的两帧图像的影像光束不处于相同位置，进而提高成像的细腻感，最后，通过超短焦投影镜头400校正并放大影像光束，将影像光束投影到投影屏幕。在本发明实施例中，超短焦投影镜头400以实施例二中描述的示例为例进行说明。

具体地，超短焦投影镜头400沿着影像光束入射传播的方向依次包括：第一透镜组440、第二透镜组430和反射镜440。

第一透镜组440、第二透镜组430和反射镜440处于同一光轴401。光阀410中心偏置于超短焦投影镜头400的光轴401。光阀410偏置光轴401的偏移量满足：1.4<A/B<1.5，其中，A为光阀410的面的高度，B为光轴401到光阀410的面的上端的距离。

需要说明的是，偏移量反应了投影画面偏移超短焦投影镜头400的光轴401的程度。具体的，当偏移量越大时，投影画面偏移超短焦投影镜头400的光轴401的距离越大。

具体地，第一透镜组420和第二透镜组430的透镜组成、反射镜组440可参见实施例二内容描述，在此不再赘述。

可选的，参见图4A，投影成像***还包括：全反射棱镜组450，全反射棱镜组450设置于光阀410与移动镜片411之间，全反射棱镜组450用于使得从光阀410射出的影像光束变为平行光束，从而提高最终成像的光滑度。

可选的，全反射棱镜组460包括两个胶合的全反射棱镜，分别为第一全反射棱镜和第二全反射棱镜4。从光源***射来的光束，首先射向第一全反射棱镜，当光束射向第一全反射棱镜时，光束发生全反射，并将发生全反射后的光束射向光阀410，当发生全反射后的光束射向光阀410时，光阀410反射光束并产生影像光束，然后将产生的影像光束从光阀410射向全反射棱镜组450，当影像光束从光阀410射向全反射棱镜组450时，影像光束不发生全反射，而是直接将影像光束射向移动镜片411。

由于第一全反射棱镜使得射向其自身的光束发生全反射，因此使用一个全反射棱镜就可以将光束反射到光阀410上，从而不需要通过多个普通反射镜进行多次反射，进而减少了普通反射镜的使用数量，大大缩小了超短焦投影镜头400的体积；另外，全反射棱镜组450使得通过其中的光束变为平行于光轴401均匀光束，因此，满足了远心光路的需求，由于使得射向光阀410产生的影像光束变得均匀，从而也提高投影图像的质量。

由于全反射棱镜对射入其内的光具有平行射出的作用，因此当光阀410的不平行影像光束射向全反射棱镜组450时，全反射棱镜450使得影像光束平行射出，从而使得影像光束变得均匀，从而提高成像的光滑度。

另外，由于全反射棱镜会对射入其内的光束从另一个方向射出，所以为了使得影像光束可以通过全反射棱镜组460射向移动镜片411，全反射棱镜组460可以包括4个全反射棱镜。

另外，折射镜组和反射镜组产生正的屈光度，其中，第一透镜组420和第二透镜组430组成的折射透镜组总长度为L1，折射镜组和反射镜组440之间的间距为L2，L1、L2满足：0.65<L1/L2<0.7，其中，折射透镜组长度为第一透镜组420和第二透镜组430的总长度，折射透镜组和反射镜组之间的间距为第二透镜组430靠近反射镜440的一端到反射镜440的长度。

另外，超短焦投影镜头400的后工作距离大于36毫米，从而为放置移动镜片411留出足够的空间。其中，后工作距离为光阀410的光阀面与投影镜头的第一个透镜（第一个透镜的入光面）之间的距离。

另外，需要说明的是，在具体设计投影成像***时，首先为移动镜片411留出足够的空间，即留出足够长的后工作距离，但是由于影像光束的张角不变，所以越长的后工作距离会导致影像光束越远离投影镜头的光轴，所以会造成较大像差，因此在设计上述投影镜头时，也会考虑由于长的后工作距离带来的像差，并设置投影镜头校正由于长的后工作距离带来的像差。

另外，光阀面到第一透镜组中第一片透镜的距离即镜头的后工作距离BL，折射镜组和反射镜组440之间的间距为L2，其中BL/L2的比值的范围为0.2-0.35，用于进一步限定后工作距离的长度以避免后工作距离过长，造成像差太大，从而导致投影镜头的设置成本过高的问题。

本发明实施例中的光机和镜头的光学***中，镜头具有较佳的像差校正能力，图像解析度高，并且能够预留出后工作距离，能够放置移动镜片，满足在低分辨率DMD的条件下，可以实现高分辨率或高清晰度图像的投影显示。

以及，本发明实施例提供的激光投影设备的投射比的范围是0.2-0.3。投影镜头的投射比的范围为0.2-0.3，以达到超短焦投影的目的。在另一示例实例中，投影成像***的投射比为0.24-0.25。

另外，本发明提供的投影镜头的调制传送函数大于60%，分辨率达93线对/毫秒，有效焦距为-3.38或-3.47，偏移量为142%-150%，投射画面尺寸为80-120。

另外，现在激光投影设备无法满足高分辨4K图像对应的影像光束的投影需求，而本发明实施例提供的激光投影设备中包括的超短焦投影镜头通过各球面透镜和非球面透镜透镜的配合，具有较佳的像差矫正能力，可以解析高分辨率的图像对应的影像光束，使得投影屏幕可以呈现更高清的图像，投影画面质量高，提升用户体验。

以及，本发明实施例中提供的激光投影设备，包括光阀、移动镜片和投影镜头。移动镜片使得经过振动镜片的相邻两帧投影图像对应的影像光束不完全重叠，由于影像光束不完全重叠，使得射向同一像素的影像光束增加，进而提高成像的分辨率，而且由于移动镜片的振动使得相邻两帧投影图像对应的影像光束略微错开，进而使得像素之间的过度更加平滑，从而提高成像的细腻感，进而提高成像质量；另外，本发明实施例提供的投影镜头包括至少四个非球面透镜，由于非球面透镜相较与球面透镜对像差有更好的校正能力，所以投影镜头包括非球面透镜后可以大大减少投影镜头中包括的球面透镜的数量，不仅简化了投影镜头的结构，还大大提高了投影镜头的分辨率，进一步利于实现高分辨率投影图像的投射。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (16)

1.一种超短焦投影镜头，其特征在于，所述超短焦投影镜头包括折射镜组和反射镜组，

影像光束经过所述折射镜组后，在所述折射镜组和反射镜组之间进行第一次成像，所述反射镜组将第一次成像反射至投影屏幕形成第二次成像；

所述折射镜组包括第一透镜组和第二透镜组，所述第一透镜组和第二透镜组中均具有两片非球面透镜；所述反射镜组包括一反射镜，置于所述第二透镜组后；

所述折射镜组和反射镜组处于同一主光轴；

所述第二次成像的图像相对于主光轴的偏移量为140%~150%。

2.根据权利要求1所述的超短焦投影镜头，其特征在于，所述超短焦投影镜头的投射比在0.2~0.3之间。

3.根据权利要求1所述的超短焦投影镜头，其特征在于，所述折射镜组和反射镜组产生正的屈光度，其中，所述折射镜组的总长度为L1，所述折射镜组和反射镜组之间的间距为L2，L1、L2满足：0.65<L1/L2<0.7。

4.根据权利要求1所述的超短焦投影镜头，其特征在于，所述超短焦投影镜头的等效焦距为F1，所述第一透镜组的等效焦距为F2，所述第二透镜组的等效焦距为F3，所述反射镜组的等效焦距为F4，F1、F2、F3、F4满足：

5 < | F2/F1 | < 9 ；

7 < | F3/F1 | < 100；

5 < | F4/F1 | < 15。

5.根据权利要求1所述的超短焦投影镜头，其特征在于，所述超短焦投影镜头的有效焦距为-3.3mm~-3.5mm。

6.根据权利要求1所述的超短焦投影镜头，其特征在于，所述反射镜为凹面非球面反射镜或自由曲面反射镜。

7.根据权利要求1所述的超短焦投影镜头，其特征在于，所述超短焦投影镜头还包括孔径光阑，所述孔径光阑位于所述第一透镜组与所述第二透镜组之间，所述孔径光阑与所述折射镜组和反射镜组处于同一主光轴，所述孔径光阑用于限制所述超短焦投影镜头的通光量。

8.根据权利要求1所述的超短焦投影镜头，其特征在于，所述第一透镜组包括至少一个球面透镜和第一非球面透镜、第二非球面透镜，两个非球面透镜之间至少设置有一个球面透镜；

所述第二透镜组包括至少一个球面透镜和第三非球面透镜、第四非球面透镜，两个非球面透镜之间至少设置有一个球面透镜。

9.根据权利要求8所述的超短焦投影镜头，其特征在于，

所述第一非球面透镜为一凸凹透镜，所述第二非球面透镜为一双凸透镜，和/或，

所述第三非球面透镜为一凹凸透镜，所述第四非球面透镜为一双凹透镜。

10.根据权利要求8所述的超短焦投影镜头，其特征在于，所述第一透镜组沿着光束入射的方向依次包括所述第一非球面透镜、第一球面透镜、第二球面透镜、第三球面透镜、第四球面透镜和所述第二非球面透镜，上述各透镜的屈光度依次为负、负、负、正、正、负；

或者，包括所述第一球面透镜、所述第一非球面透镜、所述第二球面透镜、所述第三球面透镜、所述第四球面透镜和所述第二非球面透镜，上述各透镜的屈光度依次为负、负、负、正、正、负。

11.根据权利要求8或10所述的超短焦投影镜头，其特征在于，所述第二透镜组沿着光束入射的方向依次包括所述第三非球面透镜、第五球面透镜、第六球面透镜、第七球面透镜、第八球面透镜、第九球面透镜、第十球面透镜、第十一球面透镜和所述第四非球面透镜，上述透镜的屈光度依次为正、正、负、负、正、负、正、负、正。

12.根据权利要求8所述的超短焦投影镜头，其特征在于，所述第一非球面透镜的非球面方程的高阶系数的阶次大于或等于预设第一阈值，所述第二非球面透镜的非球面方程的高阶系数的阶次大于或等于预设第二阈值；

以及，所述第三非球面透镜的非球面方程的高阶系数的阶次大于或等于预设第三阈值，所述第四非球面透镜的非球面方程的高阶系数的阶次大于或等于预设第四阈值。

13.根据权利要求12所述的超短焦投影镜头，其特征在于，所述第一预设阈值、第二预设阈值、第三预设阈值、第四预设阈值均为大于等于10的整数。

14.一种激光投影设备，包括激光光源，用于提供照明光束；光机，包括光阀，用于根据图像处理信号对所述照明光束进行调制后形成影像光束，其特征在于，还包括上述权利要求1至13任一所述的超短焦投影镜头，其中，所述光阀将所述影像光束反射至所述超短焦投影镜头，所述超短焦投影镜头用于对所述影像光束校正放大后投射至投影屏幕成像。

15.根据权利要求14所述的激光投影设备，其特征在于，所述光阀偏置所述超短焦投影镜头主光轴的偏移量满足：1.2<A/B<1.5，其中，所述A指所述光阀的高度，所述B指所述光轴到所述光阀的上端的距离。

16.根据权利要求14或15所述的激光投影设备，其特征在于，在所述光阀和所述超短焦投影镜头之间还包括移动镜片，所述移动镜片以预设频率振动，并在前一时刻和当前时刻透射或反射所述影像光束时，分别处于不同的位置，使得对前一时刻和当前时刻透射或反射的所述影像光束错位重叠。